JP2019016690A

JP2019016690A - 鉄心およびコイルを備えたリアクトル

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Publication number: JP2019016690A
Application number: JP2017132875A
Authority: JP
Inventors: 雅朋白水; Masatomo Shiromizu; 健一塚田; Kenichi Tsukada; 友和吉田; Tomokazu Yoshida
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2019-01-31
Anticipated expiration: 2037-07-06
Also published as: CN109215960A; DE102018005211A1; US10629360B2; JP6490156B2; CN208570285U; CN109215960B; US20190013139A1

Abstract

【課題】コイルスペースの角部に磁束が集中するのを抑える。【解決手段】リアクトル（６）は、外周部鉄心（２０）と、外周部鉄心の内側に配置された少なくとも三つの鉄心コイル（３１〜３４）とを含む。少なくとも三つの鉄心（４１〜４４）のうちの隣接する鉄心の間には磁気的に連結可能なギャップ（１０１〜１０４）が形成されている。コイル（５１〜５４）は鉄心と外周部鉄心との間に形成されたコイルスペース（５１ａ〜５４ａ）に配置されている。軸方向におけるコイルスペースの断面における少なくとも一つの角部（５１ｃ〜５３ｃ）にＲが付けられているか、または、前記少なくとも一つの角部（５１ｃ’〜５３ｃ’）は１００°以上の鈍角の内角を有する多角形の一部である。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、鉄心およびコイルを備えたリアクトルに関する。

リアクトルは複数の鉄心コイルを含んでおり、各鉄心コイルは鉄心と該鉄心に巻回されたコイルとを含んでいる。そして、複数の鉄心の間には所定のギャップが形成されている。さらに、近年では、環状の外周部鉄心の内側に複数の鉄心および該鉄心に巻回されたコイルが配置されているリアクトルも存在している。例えば特許文献１を参照されたい。

特開２０１７−０５９８０５号公報

そのようなリアクトルにおいては、コイルは外周部鉄心と鉄心との間に形成されたコイルスペースに配置されている。リアクトルの軸方向断面において、コイルスペースは少なくとも部分的に矩形である場合がありうる。

しかしながら、通電時にコイルを通過した主磁束が外周部鉄心を通過するときに、磁束が矩形のコイルスペースの角部に集中し、局所的に磁束が高くなるという問題があった。この場合には鉄損が増加し、また磁束飽和が起きやすくなる。さらに、周波数が高くなるほど、鉄損は増加する。

それゆえ、コイルスペースの角部に磁束が集中するのを抑えられるリアクトルが望まれている。

本開示の１番目の態様によれば、外周部鉄心と、前記外周部鉄心の内側に配置された少なくとも三つの鉄心コイルと、を具備し、前記少なくとも三つの鉄心コイルのそれぞれは、鉄心と該鉄心に巻回されたコイルとから構成されており、前記少なくとも三つの鉄心のうちの一つの鉄心と該一つの鉄心に隣接する他の鉄心との間には磁気的に連結可能なギャップが形成されており、前記コイルは前記鉄心と前記外周部鉄心との間に形成されたコイルスペースに配置されており、軸方向における前記コイルスペースの断面における少なくとも一つの角部にＲが付けられているか、または、前記少なくとも一つの角部は１００°以上の鈍角の内角を有する多角形の一部である、リアクトルが提供される。

１番目の態様においては、コイルスペースの角部にＲが付けられているか、または角部が鈍角の内角を有する多角形の一部であるので、角部に磁束が集中するのを緩和でき、その結果、鉄損を低減でき、また磁束飽和も起こりにくくなる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれら目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明解になるであろう。

第一の実施形態に基づくリアクトルの斜視図である。第一の実施形態に基づくリアクトルの断面図である。図１Ｂに示されるリアクトルの磁束密度を示す図である。図１Ｃの部分拡大図である。従来技術におけるリアクトルの断面図である。従来技術におけるリアクトルの磁束密度を示す図である。図２Ｂの部分拡大図である。第二の実施形態に基づくリアクトルの断面図である。図３Ａに示されるリアクトルの磁束密度を示す図である。図３Ｂの部分拡大図である。第三の実施形態に基づくリアクトルの断面図である。第四の実施形態に基づくリアクトルの断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。

以下の記載では、三相リアクトルを例として主に説明するが、本開示の適用は、三相リアクトルに限定されず、各相で一定のインダクタンスが求められる多相リアクトルに対して幅広く適用可能である。また、本開示に係るリアクトルは、産業用ロボットや工作機械におけるインバータの一次側および二次側に設けるものに限定されず、様々な機器に対して適用することができる。

図１Ａは第一の実施形態に基づくリアクトルの斜視図であり、図１Ｂは第一の実施形態に基づくリアクトルの断面図である。図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、リアクトル６のコア本体５は、環状の外周部鉄心２０と、外周部鉄心２０の内面において周方向に等間隔に配置された少なくとも三つの鉄心コイル３１〜３３とを含んでいる。また、鉄心の数は３の倍数であるのが好ましく、それにより、リアクトル６を三相リアクトルとして使用できる。なお、外周部鉄心２０が他の形状、例えば円形であってもよい。鉄心コイル３１〜３３のそれぞれは、鉄心４１〜４３と該鉄心４１〜４３に巻回されたコイル５１〜５３とを含んでいる。

外周部鉄心２０は周方向に分割された複数、例えば三つの外周部鉄心部分２４〜２６より構成されている。外周部鉄心部分２４〜２６は、それぞれ鉄心４１〜４３と一体的に構成されている。外周部鉄心部分２４〜２６および鉄心４１〜４３は、複数の鉄板、炭素鋼板、電磁鋼板を積層するか、または圧粉鉄心から形成される。このように外周部鉄心２０が複数の外周部鉄心部分２４〜２６から構成される場合には、外周部鉄心２０が大型である場合であっても、そのような外周部鉄心２０を容易に製造できる。なお、鉄心４１〜４３の数と、外周部鉄心部分２４〜２６の数とが必ずしも一致していなくてもよい。

図１Ｂから分かるように、鉄心４１〜４３は互いにおおよそ同一の寸法であり、外周部鉄心２０の周方向におおよそ等間隔に配置されている。図１Ｂにおいては鉄心４１〜４３のそれぞれの半径方向外側端部は外周部鉄心部分２４〜２６のそれぞれに接合されている。

さらに、鉄心４１〜４３のそれぞれの半径方向内側端部は外周部鉄心２０の中心に向かって収斂しており、その先端角度は約１２０度である。そして、鉄心４１〜４３の半径方向内側端部は、磁気的に連結可能なギャップ１０１〜１０３を介して互いに離間している。

言い換えれば、第一の実施形態においては鉄心４１の半径方向内側端部は、隣接する二つの鉄心４２、４３のそれぞれの半径方向内側端部とギャップ１０１、１０３を介して互いに離間している。他の鉄心４２〜４３についても同様である。なお、ギャップ１０１〜１０３の寸法は互いに等しいことが理想的であるが、等しくなくても良い。図１Ｂから分かるように、ギャップ１０１〜１０３の交点はコア本体５の中心に位置している。そして、コア本体５はこの中心回りに回転対称に形成されている。

第一の実施形態においては鉄心コイル３１〜３３を外周部鉄心２０の内側に配置している。言い換えれば、鉄心コイル３１〜３３は外周部鉄心２０により取囲まれている。このため、コイル５１〜５３からの磁束が外周部鉄心２０の外部に漏洩するのを低減できる。

再び図１Ｂを参照すると、コイル５１〜５３は外周部鉄心部分２４〜２６と鉄心４１〜４３との間に形成されるコイルスペース５１ａ〜５３ａに配置されている。コイルスペース５１ａ〜５３ａにおいては、コイル５１〜５３の内周面および外周面はコイルスペース５１ａ〜５３ａの内壁に隣接している。

リアクトル６の軸方向の断面においてはコイルスペース５１ａ〜５３ａのそれぞれは少なくとも四つの角部５１ｃ〜５３ｃをそれぞれ含んでいる。そして、第一の実施形態においてこれら角部５１ｃ〜５３ｃのうちの少なくとも一つには、Ｒが付けられている。図１Ｂにおいては、全ての角部５１ｃ〜５３ｃにＲが付けられている。第一の実施形態におけるＲの半径は、ギャップ１０１〜１０３の長さＬの半分とコイルスペース５１ａの幅Ｗの半分との間の値であってもよい。ギャップ１０１〜１０３の長さＬがコイルスペース５１ａの幅Ｗよりも大きい場合は、Ｒの半径はコイルスペース５１ａの幅Ｗの半分以下の値であってもよい。

ところで、図２Ａは従来技術におけるリアクトルの断面図である。従来技術におけるリアクトル６’の構成は第一の実施形態におけるリアクトル６の構成と概ね同様である。しかしながら、リアクトル６’の断面におけるコイルスペース５１ａ〜５３ａの角部５１ｃ〜５３ｃが直角になっている点がリアクトル６とは異なる。

ここで、図１Ｃおよび図２Ｂはそれぞれ第一の実施形態および従来技術におけるリアクトルの磁束密度を示す図である。さらに、図１Ｄおよび図２Ｃはそれぞれ図１Ｃおよび図２Ｂの部分拡大図である。理解を容易にするために、これら図面および後述する他の同様な図面では、一部の部材の参照符号の表記を省略している。

図２Ｂおよび図２Ｃにおいてはコイルスペース５１ａの角部５１ｃ近傍を通過する磁束は比較的密である。これに対し、図１Ｃおよび図１Ｄにおいてはコイルスペース５１ａの角部５１ｃ近傍を通過する磁束は比較的疎になっている。第一の実施形態においては、コイルスペース５１ａの角部５１ｃに半径１ｍｍのＲが付けられているので、角部５１ｃに磁束が集中するのが緩和される。このことは、他の角部５２ｃ、５３ｃも同様である。

このため、第一の実施形態においては、鉄損を低減でき、また磁束飽和も起こりにくくなる。さらに、周波数が高い電流を通電した場合には、鉄損の低減効果を高められることが分かるであろう。

さらに、図３Ａは第二の実施形態に基づくリアクトルの断面図である。第二の実施形態におけるリアクトル６の軸方向の断面においてはコイルスペース５１ａ〜５３ａの外側端部には、Ｒが付けられた角部５１ｄ〜５３ｄがそれぞれ配置されている。図３Ａに示される一つの角部５１ｄの断面は半円形であり、一つの角部５１ｄは図１Ｂに示されるＲが付けられた二つの角部５１ｃに対応する。第二の実施形態において角部５１ｄ〜５３ｄのＲはコイルスペース５１ａの幅Ｗの半分に概ね等しい。

図３Ｂは図３Ａに示されるリアクトルの磁束密度を示す図であり、図３Ｃは図３Ｂの部分拡大図である。これら図面を前述した磁束密度を示す図と比較すると、図３Ｂおよび図３Ｃに示される構成では、磁束の集中を最も緩和できるのが分かるであろう。また、一般に鉄損は周波数が高いほど増加する。このため、第二の実施形態における構成は、高周波用のリアクトルの場合に特に有利である。

図４は第三の実施形態におけるリアクトルの断面図である。図４に示される角部５１ｃ’〜５３ｃ’は、六角形の一部である。具体的には、コイルスペース５１ａの二つの角部５１ｃ’とその間の辺が、六角形の一辺とその両端の内角の部分に相当する。あるいは、角部５１ｃ’〜５３ｃ’は、１００°以上の鈍角の内角を有する多角形の一部であってもよい。

このような構成においては、多角形の一部に概ね相当する寸法のＲを有する角部５１ｃ〜５３ｃの場合と、概ね同様な磁束密度が得られる。従って、前述したのと同様な効果が得られるのが分かるであろう。また、第三の実施形態においては、Ｒを付ける場合に比較して、角部５１ｃ’〜５３ｃ’を容易に作成できる利点もある。また、多角形の一部に対応する角部５１ｃ’〜５３ｃ’に前述したＲを付けるようにしてもよい。

さらに、図５は第四の実施形態におけるリアクトルの断面図である。図５に示されるコア本体５は、略八角形状の外周部鉄心２０と、外周部鉄心２０の内方に配置された、前述したのと同様な四つの鉄心コイル３１〜３４とを含んでいる。これら鉄心コイル３１〜３４はコア本体５の周方向に等間隔で配置されている。また、鉄心の数は４以上の偶数であるのが好ましく、それにより、コア本体５を備えたリアクトルを単相リアクトルとして使用できる。

図面から分かるように、外周部鉄心２０は周方向に分割された四つの外周部鉄心部分２４〜２７より構成されている。それぞれの鉄心コイル３１〜３４は、半径方向に延びる鉄心４１〜４４と該鉄心に巻回されたコイル５１〜５４とを含んでいる。そして、鉄心４１〜４４のそれぞれの半径方向外側端部は、外周部鉄心部分２１〜２４のそれぞれと一体的に形成されている。なお、鉄心４１〜４４の数と、外周部鉄心部分２４〜２７の数とが必ずしも一致していなくてもよい。図１Ａに示されるコア本体５も同様である。

さらに、鉄心４１〜４４のそれぞれの半径方向内側端部は外周部鉄心２０の中心近傍に位置している。図５においては鉄心４１〜４４のそれぞれの半径方向内側端部は外周部鉄心２０の中心に向かって収斂しており、その先端角度は約９０度である。そして、鉄心４１〜４４の半径方向内側端部は、磁気的に連結可能なギャップ１０１〜１０４を介して互いに離間している。

図５に示されるコイルスペース５１ａ〜５１ｄの外側端部には、Ｒが付けられた角部５１ｄ〜５４ｄがそれぞれ配置されている。角部５１ｄ〜５４ｄは、前述した角部５１ｄ〜５３ｄと同様な形状である。つまり、第四の実施形態の角部５１ｄ〜５４ｄのＲはコイルスペース５１ａの幅Ｗの半分に概ね等しい。従って、この場合にも、前述したのと同様な効果が得られるのは明らかであろう。なお、前述した実施例のいくつかを適宜組み合わせた場合も本開示の範囲に含まれる。

本開示の態様
１番目の態様によれば、外周部鉄心（２０）と、前記外周部鉄心の内側に配置された少なくとも三つの鉄心コイル（３１〜３４）と、を具備し、前記少なくとも三つの鉄心コイルのそれぞれは、鉄心（４１〜４４）と該鉄心に巻回されたコイル（５１〜５４）とから構成されており、前記少なくとも三つの鉄心のうちの一つの鉄心と該一つの鉄心に隣接する他の鉄心との間には磁気的に連結可能なギャップ（１０１〜１０４）が形成されており、前記コイルは前記鉄心と前記外周部鉄心との間に形成されたコイルスペース（５１ａ〜５４ａ）に配置されており、軸方向における前記コイルスペースの断面における少なくとも一つの角部（５１ｃ〜５３ｃ）にＲが付けられているか、または、前記少なくとも一つの角部（５１ｃ’〜５３ｃ’）は１００°以上の鈍角の内角を有する多角形の一部である、リアクトル（６）が提供される。
２番目の態様によれば、１番目の態様において、前記ギャップの長さが前記コイルスペースの幅以上である場合には前記Ｒの半径は前記コイルスペースの幅の半分以下であり、前記ギャップの長さが前記コイルスペースの幅よりも小さい場合には前記Ｒの半径は前記ギャップの長さの半分より大きく前記コイルスペースの幅の半分以下であるようにした。
３番目の態様によれば、１番目または２番目の態様において、前記少なくとも三つの鉄心コイルの数は３の倍数である。
４番目の態様によれば、１番目または２番目の態様において、前記少なくとも三つの鉄心コイルの数は４以上の偶数である。

態様の効果
１番目の態様においては、コイルスペースの角部に半径Ｒが付けられているか、または角部が鈍角の内角を有する多角形の一部であるので、角部に磁束が集中するのを緩和でき、その結果、鉄損を低減でき、また磁束飽和も起こりにくくなる。
２番目の態様においては、比較的簡単な構成で磁束の集中を緩和することができる。さらに、既存のリアクトルのコイルスペースの角部に容易にＲを付けられる。
３番目の態様においては、リアクトルを三相リアクトルとして使用できる。
４番目の態様においては、リアクトルを単相リアクトルとして使用できる。

典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、前述した変更および種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

５コア本体
６リアクトル
２０外周部鉄心
２４〜２７外周部鉄心部分
３１〜３４鉄心コイル
４１〜４４鉄心
５１〜５４コイル
５１ａ〜５４ａコイルスペース
５１ｃ〜５３ｃ、５１ｃ’〜５３ｃ’ 角部
５１ｄ〜５４ｄ角部
１０１〜１０４ギャップ

Claims

外周部鉄心と、
前記外周部鉄心の内側に配置された少なくとも三つの鉄心コイルと、を具備し、
前記少なくとも三つの鉄心コイルのそれぞれは、鉄心と該鉄心に巻回されたコイルとから構成されており、
前記少なくとも三つの鉄心のうちの一つの鉄心と該一つの鉄心に隣接する他の鉄心との間には磁気的に連結可能なギャップが形成されており、
前記コイルは前記鉄心と前記外周部鉄心との間に形成されたコイルスペースに配置されており、
軸方向における前記コイルスペースの断面における少なくとも一つの角部にＲが付けられているか、または、前記少なくとも一つの角部は１００°以上の鈍角の内角を有する多角形の一部である、リアクトル。
前記ギャップの長さが前記コイルスペースの幅以上である場合には前記Ｒの半径は前記コイルスペースの幅の半分以下であり、前記ギャップの長さが前記コイルスペースの幅よりも小さい場合には前記Ｒの半径は前記ギャップの長さの半分より大きく前記コイルスペースの幅の半分以下であるようにした、請求項１に記載のリアクトル。
前記少なくとも三つの鉄心コイルの数は３の倍数である、請求項１または２に記載のリアクトル。
前記少なくとも三つの鉄心コイルの数は４以上の偶数である、請求項１または２に記載のリアクトル。